Elektromagnetische Stromerzeugung

By | September 23, 2022

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Elektrische Energie kann durch eine Reihe von Verfahren erzeugt werden. Übliche Methoden umfassen die Verwendung von Licht, Druck, Wärme, chemischer und elektromagnetischer Induktion. Von diesen Prozessen ist die elektromagnetische Induktion am meisten für die Erzeugung des Großteils der vom Menschen verbrauchten elektrischen Energie verantwortlich. Nahezu alle mechanischen Geräte (Generatoren und Wechselstromgeneratoren), die elektrischen Strom erzeugen, verwenden den Prozess der elektromagnetischen Induktion. Die Verwendung von Licht, Druck, Wärme und chemischen Quellen für elektrische Energie findet sich in Flugzeugen, die jedoch nur eine minimale Menge der gesamten elektrischen Energie erzeugen, die während eines typischen Fluges verbraucht wird.

Kurz gesagt, Licht kann mithilfe einer Solarzelle (Photovoltaikzelle) Strom erzeugen. Diese Zellen enthalten eine bestimmte Chemikalie, die Lichtenergie in Spannung/Strom umwandelt.

Die Verwendung von Druck zur Erzeugung elektrischer Energie ist allgemein als piezoelektrischer Effekt bekannt. Der piezoelektrische Effekt (piezo oder piez aus dem Griechischen: drücken; pressen; zusammenpressen) entsteht durch das Aufbringen von mechanischem Druck auf einen dielektrischen oder nichtleitenden Kristall.

Chemische Energie kann in Strom umgewandelt werden, am häufigsten in Form einer Batterie. Eine Primärbatterie erzeugt Strom unter Verwendung von zwei verschiedenen Metallen in einer chemischen Lösung wie einem alkalischen Elektrolyten. Zwischen den Metallen findet eine chemische Reaktion statt, die in einem Metall mehr Elektronen freisetzt als in dem anderen.

Wärme, die zur Stromerzeugung verwendet wird, erzeugt den thermoelektrischen Effekt. Wenn ein als Thermoelement bezeichnetes Gerät Wärme ausgesetzt wird, wird eine Spannung erzeugt. Ein Thermoelement ist eine Verbindung zwischen zwei verschiedenen Metallen, die eine Spannung erzeugt, die mit einer Temperaturdifferenz zusammenhängt. Wird das Thermoelement an einen vollständigen Stromkreis angeschlossen, fließt auch ein Strom. Thermoelemente finden sich häufig in Flugzeugen als Teil eines Temperaturüberwachungssystems, wie z. B. einer Zylinderkopftemperaturanzeige.

Elektromagnetische Induktion ist der Prozess der Erzeugung einer Spannung (EMF) durch Bewegen eines Magnetfelds in Bezug auf einen Leiter. Wie in Abbildung 1 gezeigt, wird, wenn ein Leiter (Draht) durch ein Magnetfeld bewegt wird, im Leiter eine EMF erzeugt. Wird ein vollständiger Stromkreis an den Leiter angeschlossen, erzeugt die Spannung auch einen Stromfluss.

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Abbildung 1. Induzieren einer EMF in einem Leiter
Ein einzelner Leiter erzeugt durch elektromagnetische Induktion keine nennenswerte Spannung/Strom. [Figure 1] In der Praxis wird statt eines einzelnen Drahtes eine Drahtspule durch das Magnetfeld eines starken Magneten bewegt. Dies erzeugt eine größere elektrische Leistung. In vielen Fällen wird das Magnetfeld durch die Verwendung eines starken Elektromagneten erzeugt. Dies ermöglicht die Erzeugung einer größeren Spannung/eines größeren Stroms aufgrund des stärkeren Magnetfelds, das vom Elektromagneten im Vergleich zu einem gewöhnlichen Magneten erzeugt wird.

Bitte beachten Sie, dass sich dieser Text in Bezug auf elektrische Leistung häufig auf Spannung/Strom bezieht. Denken Sie daran, dass Spannung (elektrischer Druck) vorhanden sein muss, um einen Strom (Elektronenfluss) zu erzeugen. Daher besteht die durch den Prozess der elektromagnetischen Induktion erzeugte Ausgangsenergie immer aus Spannung.

Strom entsteht auch, wenn ein kompletter Stromkreis an diese Spannung angeschlossen wird. Elektrischer Strom wird erzeugt, wenn sowohl elektrischer Druck E (EMF) als auch Strom (I) vorhanden sind. Leistung = Strom × Spannung (P = I × E)

Es ist die relative Bewegung zwischen einem Leiter und einem Magnetfeld, die bewirkt, dass Strom im Leiter fließt. Entweder der Leiter oder der Magnet kann sich bewegen oder stationär sein. Wenn ein Magnet und sein Feld durch einen gewickelten Leiter bewegt werden, wie in Abbildung 2 gezeigt, wird eine Gleichspannung mit einer bestimmten Polarität erzeugt. Die Polarität dieser Spannung hängt von der Richtung ab, in die der Magnet bewegt wird, und von der Position des Nord- und Südpols des Magnetfelds. Zur Bestimmung der Stromflussrichtung innerhalb des Leiters kann die linke Generatorregel verwendet werden. [Figure 3] Die Richtung des Stromflusses ist natürlich eine Funktion der Polarität der in den Leiter induzierten Spannung.

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Abbildung 2. Induzieren eines Stromflusses
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Abbildung 3. Eine Anwendung der Generator-Linke-Hand-Regel

In der Praxis erfordert die Erzeugung von Spannung/Strom durch elektromagnetische Induktion eine rotierende Maschine. Allgemein gesagt verwendet ein Generator oder Wechselstromgenerator in allen Flugzeugen die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion, um elektrische Energie für das Flugzeug zu erzeugen. Entweder kann sich das Magnetfeld drehen oder der Leiter kann sich drehen. [Figure 4] Die rotierende Komponente wird von einer mechanischen Vorrichtung, wie einem Flugzeugtriebwerk, angetrieben.

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Abbildung 4. In einer Schleife induzierte Spannung

Während des Prozesses der elektromagnetischen Induktion hängt der Wert der induzierten Spannung/des induzierten Stroms von drei grundlegenden Faktoren ab:

  1. Anzahl der Windungen in der Leiterspule (mehr Schleifen entsprechen einer höheren induzierten Spannung)
  2. Stärke des Elektromagneten (je stärker das Magnetfeld, desto größer die induzierte Spannung)
  3. Rotationsgeschwindigkeit des Leiters oder Magneten (je schneller die Rotation, desto größer die induzierte Spannung)


Abbildung 5 zeigt die Grundlagen einer rotierenden Maschine zur Spannungserzeugung. Das einfache Erzeugungsgerät besteht aus einer rotierenden Schleife, die mit A und B gekennzeichnet ist und zwischen zwei Magnetpolen N und S angeordnet ist. Die Enden der Schleife sind mit zwei Metallschleifringen (Kollektorringen) C1 und C2 verbunden. Der Strom wird von den Schleifringen durch Bürsten abgenommen. Wenn die Schleife als separate Drähte A und B betrachtet wird und die Regel der linken Hand für Generatoren angewendet wird, kann beobachtet werden, dass, wenn sich Draht B über das Feld nach oben bewegt, eine Spannung induziert wird, die bewirkt, dass der Strom in Richtung fließt der Leser. Wenn sich Draht A über das Feld nach unten bewegt, wird eine Spannung induziert, die bewirkt, dass der Strom vom Lesegerät weg fließt. Wenn die Drähte zu einer Schleife geformt werden, werden die in den beiden Seiten der Schleife induzierten Spannungen kombiniert. Daher ist zu Erläuterungszwecken die Wirkung jedes Leiters, A oder B, während er sich im Magnetfeld dreht, ähnlich der Wirkung der Schleife.
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Abbildung 5. Einfacher Generator

Abbildung 6 veranschaulicht die Erzeugung von Wechselstrom (AC) mit einem einfachen Schleifenleiter, der sich in einem Magnetfeld dreht. Beim Drehen im Gegenuhrzeigersinn werden in der Leiterschleife unterschiedliche Spannungen induziert.

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Abbildung 6. Erzeugung einer Sinuswelle
Stelle 1
Der Leiter A bewegt sich parallel zu den Kraftlinien. Da es keine Kraftlinien schneidet, ist die induzierte Spannung Null. Wenn der Leiter von Position 1 zu Position 2 vorrückt, steigt die induzierte Spannung allmählich an.

Stelle 2
Der Leiter bewegt sich nun in einer Richtung senkrecht zum Fluss und schneidet eine maximale Anzahl von Kraftlinien; daher wird eine maximale Spannung induziert. Wenn sich der Leiter über Position 2 hinaus bewegt, schneidet er eine abnehmende Flussmenge ab und die induzierte Spannung nimmt ab.

Platz 3
An diesem Punkt hat der Leiter eine halbe Umdrehung gemacht und bewegt sich wieder parallel zu den Kraftlinien, und im Leiter wird keine Spannung induziert. Wenn der A-Leiter Position 3 passiert, kehrt sich die Richtung der induzierten Spannung nun um, da sich der A-Leiter nach unten bewegt und den Fluss in die entgegengesetzte Richtung schneidet. Wenn sich der A-Leiter über den Südpol bewegt, steigt die induzierte Spannung allmählich in negativer Richtung an, bis sie Position 4 erreicht.

Platz 4
Wie bei Position 2 bewegt sich der Leiter wieder senkrecht zum Fluss und erzeugt eine maximale negative Spannung. Von Position 4 bis Position 5 nimmt die induzierte Spannung allmählich ab, bis die Spannung Null ist und der Leiter und die Welle bereit sind, einen weiteren Zyklus zu beginnen.

Platz 5
Die an Position 5 gezeigte Kurve wird als Sinuswelle bezeichnet. Sie repräsentiert die Polarität und die Größe der Momentanwerte der erzeugten Spannungen. Die horizontale Basislinie ist in Grad oder Zeit unterteilt, und der vertikale Abstand über oder unter der Basislinie repräsentiert den Spannungswert an jedem bestimmten Punkt in der Drehung der Schleife.

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